微網逆變器并網/孤島無縫切換控制研究

劉玥妤 趙艷雷 劉偉 劉韓琦

摘 ?要： 微網并網運行與離網孤島運行之間的切換會引起電壓電流的暫態(tài)沖擊，從而威脅系統(tǒng)的可靠運行。研究微網離并網運行時的恒壓恒頻與恒功率控制策略，并提出基于滯環(huán)緩沖環(huán)節(jié)的并網/孤島無縫切換策略，抑制并網/孤島切換過程中產生的暫態(tài)沖擊。最后建立系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型，分別仿真分析了傳統(tǒng)控制策略和新型控制策略。仿真結果表明，提出的新型切換控制策略可有效抑制切換過程中的暫態(tài)沖擊，實現(xiàn)微網的平滑切換。

關鍵詞： 微網; 逆變器; 無縫切換; PQ控制; [V/f]控制; 新能源

中圖分類號： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）09?0076?05

Study on grid?connected/islanding seamless switching control of microgrid inverter

LIU Yueyu， ZHAO Yanlei， LIU Wei， LIU Hanqi

（School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： The switching between the grid?connected operation and islanding operation of microgrid will cause the transient impact of voltage and current， and thus threaten the reliable operation of the system. The constant voltage and constant frequency， and constant power control strategies of grid?connected and off?grid operation for microgrid are studied， and the grid?connected/islanding seamless switching strategy based on hysteresis buffer unit is proposed to suppress the transient impact during grid?connected and islanding switching process. The Matlab/Simulink simulation model of the system was established， and the traditional control strategy and new control strategy were simulated and analyzed respectively. The simulation results show that the proposed switching control strategy can effectively suppress the transient impact in the switching process， and realize the smooth switching of the microgrid.

Keywords： microgrid; inverter; seamless switching; PQ control; [V/f] control; new energy

0 ?引 ?言

為融合新能源發(fā)電、負荷和配電網，提高能源綜合利用率，微網方式的組網架構被提出[1?4]。微網是由分布式電源、儲能單元、變換器、負荷以及監(jiān)控保護單元等部分構成的小型智能發(fā)配電系統(tǒng)。微網主要包含并網運行和孤島運行兩種運行方式。避免兩種模式切換過程出現(xiàn)的暫態(tài)沖擊，實現(xiàn)并網/孤島無縫切換是微網運行控制的目標之一。

文獻[5]提出一種雙模式逆變器結構模型，研究了一種電壓電流加權控制策略，保證切換過程中的穩(wěn)定性和電壓電流的平滑輸出。文獻[6]提出一種基于儲能的微網無縫切換技術，采用功率外環(huán)、電壓環(huán)、電流內環(huán)三環(huán)控制策略，可以保證系統(tǒng)在并網向離網運行切換時電壓和頻率的穩(wěn)定。文獻[7?9]提出兩種控制模式下均通過控制電容兩側電壓來實現(xiàn)，并在并/離網轉換時切除外側電流環(huán)，使運行模式切換時實現(xiàn)良好的負載電壓控制。文獻[10]提出基于XML的并/離網平滑切換控制策略實現(xiàn)方法，根據(jù)運行數(shù)據(jù)識別微網運行模式，自動切換DER至適合該模式的控制策略，提高了微網運行的穩(wěn)定性和可靠性。文獻[11]通過二階滑?？刂茖崿F(xiàn)了光伏、內燃機微網的雙模式切換，其無需并/離網運行狀態(tài)檢測機制就實現(xiàn)了并網向離網運行模式的過渡。上述方法對微網切換過程中產生的沖擊起到一定的抑制作用，但并不能完全消除，且部分方案過于復雜，切換速度慢，動態(tài)性能不佳，工程上難以實現(xiàn)。因此，必須設計一種控制結構簡單且兼顧靈活性的控制器來抑制微網切換過程中出現(xiàn)的擾動，實現(xiàn)微網兩種運行模式平滑切換。

本文針對微網兩種模式下的控制目標，分別分析了控制器的設計策略。本文同時分析了微網系統(tǒng)并/離網切換前后易產生電壓、電流畸變，電壓震蕩等問題，并提出一種改進的并/離網控制模式切換方法。該方法通過在微網控制系統(tǒng)中引入慣性環(huán)節(jié)，抑制微網切換過程中產生的電壓、電流畸變沖擊，保證不同模式切換時微網逆變器電壓、電流的連續(xù)性和平滑性。最后，本文建立微網系統(tǒng)的仿真模型，對三種場景下的無縫切換改進策略進行仿真分析，驗證了本文策略的可行性。

1 ?微網結構及逆變器控制

1.1 ?微網及儲能逆變器結構

微網可高效整合分布式新能源與本地負載，并通過離/并網開關接入交流電網，其典型結構如圖1所示。當微網并網運行時，系統(tǒng)電壓與頻率由電網維持，儲能單元通常工作于功率控制方式下。當電網退出運行時，儲能單元作為系統(tǒng)的主電源維持系統(tǒng)母線電壓與頻率穩(wěn)定，此時儲能裝置一般工作在恒壓恒頻控制方式下。因此，微網離/并網的切換伴隨著儲能逆變器控制方式的調整。如果儲能逆變器控制方式的調整引起了沖擊則會對微網的穩(wěn)定運行造成不利影響。

圖1 ?微網系統(tǒng)結構

儲能單元的DC?AC逆變器采用PWM控制技術，其輸出電壓存在豐富的開關諧波，因此，逆變器出口通常接入濾波裝置，典型結構如圖2所示。

圖2 ?微網逆變器結構

圖2中濾波器為LCL濾波器，電容[C]為高頻諧波電流提供了旁路通路。配電網與微網的連接點稱之為公共耦合點（Point of Common Couple，PCC），在PCC處采用控制開關實現(xiàn)微網的并網與離網控制。

1.2 ?儲能逆變器控制策略

1.2.1 ?恒功率控制

恒功率控制實現(xiàn)儲能單元按照給定的參考功率輸出恒定的有功和無功，其通過有功和無功解耦后分別進行控制，控制原理如圖3所示。

圖3 ?恒功率控制框圖

為簡化控制流程，恒功率控制僅采用電流環(huán)控制，電流環(huán)輸入的直軸和交軸參考電流[idref]，[iqref]根據(jù)電網電壓和輸出功率參考值計算給出，其計算式為：

式中：[Pref]，[Qref]為變換器輸出參考功率;[ud]為電網電壓的直軸分量。電流環(huán)控制采用PI控制，其中，[kpid]，[kiid]以及[kpiq]，[kiiq]分別為電流PI環(huán)直軸和交軸控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

1.2.2 ?恒壓恒頻控制策略

當微網失去交流配網的支撐時，采用恒壓恒頻控制的變換器支撐交流母線的電壓和頻率恒定，其控制原理如圖4所示。恒壓恒頻控制采用雙PI環(huán)控制，其中電壓環(huán)參考值[udref]，[uqref]根據(jù)控制目標給定。[kpud]，[kiud]以及[kpuq]，[kiuq]分別為電壓PI環(huán)直軸和交軸控制的比例系數(shù)與積分系數(shù);[kpid]，[kiid]以及[kpiq]，[kiiq]分別為電流PI環(huán)直軸和交軸控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

2 ?并網/孤島無縫切換控制技術

當微網的運行狀態(tài)進行切換時，逆變器的控制策略也在恒壓恒頻控制和恒功率控制之間進行切換。當采用恒功率控制時，逆變控制器采用電流內環(huán)控制方式，[idref]，[iqref]由功率計算得到。當采用[V/f]控制時，逆變器的電流環(huán)參考電流由電壓外環(huán)根據(jù)電壓參考信號[udref]，[uqref]計算而得。因此，在控制方式進行切換時，如果不采取合適的控制策略，電流內環(huán)的參考電流將發(fā)生暫態(tài)突變，從而引起變換器輸出電流出現(xiàn)暫態(tài)沖擊，導致微網運行狀態(tài)切換時發(fā)生振蕩和沖擊。

圖4 ?恒壓恒頻控制框圖

本文在逆變器的控制器中引入慣性環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可實現(xiàn)系統(tǒng)切換時[iref]遲滯增減，從而抑制[iref]突變產生的沖擊。

典型慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

圖5 ?慣性環(huán)節(jié)單位階躍響應

由圖5可知，盡管輸入階躍信號在[t=0] s時刻階躍為1，但是經過慣性環(huán)節(jié)后其輸出需經過一定時間方可追蹤到輸入值1。時間常數(shù)[T]越大，環(huán)節(jié)的慣性越大，則響應時間越長。因此，慣性環(huán)節(jié)可以抑制由運行方式切換引起的電流內環(huán)參考信號突變問題，從而實現(xiàn)運行方式的無縫切換。慣性環(huán)節(jié)在實際工程中應用廣泛，其實用價值明顯。慣性環(huán)節(jié)的控制原理如圖6所示。引入慣性環(huán)節(jié)改進的無縫切換控制原理如圖7所示。

微網系統(tǒng)并網運行時，[d]軸和[q]軸的電流環(huán)參考值由PQ控制方式所確定的功率計算所得，此時離/并網開關分別接通在B，E開關上。系統(tǒng)由并網運行方式切換至孤島時，儲能裝置需要切換為恒壓恒頻控制方式，此時系統(tǒng)的離/并網開關應當切換至A，D位置。為防止在切換過程中引起參考電流暫態(tài)沖擊，本文在切換后引入滯環(huán)控制，使得內環(huán)參考電流逐漸調整到恒壓恒頻所需值。

圖6 ?慣性環(huán)節(jié)控制原理

圖7 ?無縫切換控制原理

3 ?仿真結果及分析

本文基于Matlab/Simulink平臺搭建微網的仿真模型，微網系統(tǒng)內部包含1臺儲能轉換裝置和1臺分布式電源，其中儲能電源根據(jù)微網運行情況選擇恒壓恒頻控制或恒功率控制，分布式電源采用恒功率控制，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的功率支撐。微網與交流配電網通過交流斷路器連接，交流配電網采用理想三相電源模型，系統(tǒng)有關參數(shù)如表1所示。

表1 ?系統(tǒng)相關參數(shù)

微網與大電網并網運行時，系統(tǒng)的電流一般有三種流動情況，本文分別對這三種情況下的無縫切換進行仿真。場景一：大電網和微網同時向負荷供電;場景二：大電網提供全部負荷所需功率，同時將多余的功率供給微網;場景三：微網能夠滿足全部負荷的功率，同時將多余的功率供給電網。各單元電流分配情況如表2所示，負號表示吸收電流。

3.1 ?場景一：大電網和微網同時供電

轉換前電網電壓正常，逆變器工作于并網模式，電網與儲能系統(tǒng)共同提供負荷電流。此時系統(tǒng)電流流動情況滿足：

式中：[Iinc]為變換器輸出電流;[Igrid]為電網電流;[Iload]為負載消耗電流。當電網故障或計劃孤島時，微網須脫網獨立運行，[t=]0.1 s時，使用延時裝置斷開并網斷路器造成大電網故障現(xiàn)象，迫使系統(tǒng)由并網向孤島模式切換，逆變器控制從PQ控制方式切換至[V/f]控制方式。

表2 ?并網/孤島模式下各單元電流分配情況

微網運行狀態(tài)切換過程的仿真結果如圖8所示，其中圖8自上而下分別為逆變器側輸出的三相電壓、逆變器側三相電流以及三相電網電流。采用本文提出的改進控制策略并經優(yōu)化設計后，微網母線電壓在模式切換時基本維持不變，僅出現(xiàn)了非常微小的抖動，而且逆變器的輸出電流也沒有出現(xiàn)較大的振蕩或者超調。整個切換過程只用了6.6 ms，非常理想地完成了模式切換，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定運行，保證了重要負荷的供電質量。

圖8 ?改進控制策略仿真波形（一）

3.2 ?場景二：大電網提供負荷功率

此條件下，大電網向負載供電并儲能電池充電，此時系統(tǒng)電流流動情況為：

由圖9可知：電壓電流各項指標均保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大波動，且整個切換過程只用了6.5 ms，說明本文提出的控制策略也能較好地完成場景二的切換。

3.3 ?場景三：微網提供負荷功率

微網能夠滿足全部負荷的功率，同時將多余的功率供給電網，此時電流流動情況為：

圖9 ?改進控制策略仿真波形（二）

圖10 ?改進控制策略仿真波形（三）

由上述分析可知，本文提出的新型控制策略可以同時適用于系統(tǒng)三種不同狀態(tài)下的切換，并且較好地解決模式切換中存在的技術難題，實現(xiàn)并網/孤島兩種工作模式之間的平滑無縫切換。

4 ?結 ?論

分布式電源以微網方式組網，可高效利用新型能源并降低對傳統(tǒng)電網的沖擊。微網的離/并網運行可實現(xiàn)能源的合理分配，提高能源利用效率，但是運行狀態(tài)切換引起的暫態(tài)沖擊與振蕩可對系統(tǒng)運行造成嚴重威脅。因此本文分析了微網離/并網切換過程引起電壓、電流沖擊的原因，并提出一種引入慣性環(huán)節(jié)的無縫切換技術，抑制雙模式切換時產生的電壓、電流沖擊與畸變。本文通過建立Matlab/Simulink仿真模型，對文中提出的相關控制策略開展了仿真研究，仿真結果表明，文中提出的控制策略可實現(xiàn)微網兩種運行狀態(tài)的無縫切換。

注：本文通訊作者為趙艷雷。

參考文獻

[1] 許志榮，楊蘋，彭嘉俊.單/三相光儲型多微網并離網切換策略[J].電網技術，2016，40（11）：3459?3466.

XU Zhirong， YANG Ping， PENG Jiajun. Mode transfer strategies for PV?ESS multi?microgrids with three?phase/single?phase architecture [J]. Power system technology， 2016， 40（11）： 3459?3466.

[2] 胡實，袁旭峰，朱余林.微網運行模式無縫切換控制技術研究[J].電測與儀表，2018，55（17）：56?67.

HU Shi， YUAN Xufeng， ZHU Yulin， et al. Research on seamless switching control technology of micro?grid operation mode [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2018， 55（17）： 56?67.

[3] 高廷峰，汪海寧，施永.基于分層控制的微網無縫切換研究[J].電測與儀表，2017，54（3）：1?6.

GAO Tingfeng， WANG Haining， SHI Yong. Research on hie?rarchical control in seamless transition of micro?grid [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2017， 54（3）： 1?6.

[4] 張雪松，趙波，李鵬，等.基于多層控制的微電網運行模式無縫切換策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（5）：179?184.

ZHANG Xuesong， ZHAO Bo， LI Peng， et al. Seamless switching strategies for microgrid based on multi?layer control architecture [J]. Automation of electric power systems， 2015， 39（5）： 179?184.

[5] 王曉寰，張純江.分布式發(fā)電系統(tǒng)無縫切換控制策略[J].電工技術學報，2012（2）：217?222.

WANG Xiaohuan， ZHANG Chunjiang. Study of control strategy for seamless transfer of grid?connected distributed generation systems [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2012（2）： 217?222.

[6] 趙冬梅，張楠，劉燕華，等.基于儲能的微網并網和孤島運行模式平滑切換綜合控制策略[J].電網技術，2013，37（2）：301?306.

ZHAO Dongmei， ZHANG Nan， LIU Yanhua， et al. Synthetical control strategy for smooth switching between grid?connected and islanded operation modes of microgrid based on energy storage system [J]. Power system technology， 2013， 37（2）： 301?306.

[7] KWON J， YOON S， CHOI S. Indirect current control for seamless transfer of three?phase utility interactive inverters [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（2）： 773?781.

[8] YOON S， OH H， CHOI S. Controller design and implementation of indirect current control based utility?interactive inverter system [J]. IEEE transactions on power electronics， 2016， 28（1）： 26?30.

[9] 王勁松，唐成虹，陳娜，等.基于運行模式自識別的微網并離網平滑切換控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（9）：185?191.

WANG Jinsong， TANG Chenghong， CHEN Na， et al. A method of microgrid connecting and off?grid smooth switching control based on running mode self?identification [J]. Automation of electric power systems， 2015， 39（9）： 185?191.

[10] 鄭文迪，劉麗軍，曾靜嵐.采用改進相位控制方法的微網并網/孤島平滑切換策略[J].電網技術，2016，40（4）：1155?1162.

ZHENG Wendi， LIU Lijun， ZENG Jinglan. Smooth switching strategy between grid?connected and islanded microgrid using improved phase control method [J]. Power system technology， 2016， 40（4）： 1155?1162.

[11] MISHRA S， RAMASUBRAMANIAN D， SEKHAR P C. A seamless control methodology for a grid connected and isolated PV?diesel microgrid [J]. IEEE transactions on power systems， 2013， 28（4）： 4393?4404.